Learning difficulties on Archimedes' Principle in the floating context

Melo Niño, Lina Viviana; Sánchez, Ramiro; Cañada, Florentina; Martínez, Guadalupe

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Revista Brasileira de Ensino de Física

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Sumário

Pesquisa em Ensino de Física • Rev. Bras. Ensino Fís. 38 (4) • 2016 • https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2016-0077 copy

Learning difficulties on Archimedes' Principle in the floating context

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Abstract

The purpose of this article is to describe the construction and validation of a multiple choice test to identify misconceptions of middle and high school students about the Archimedes' principle in the floating context. We have taken as a reference classical theory test; also, we described, the misconceptions identified during the analysis process. The test was implemented to a sample of 168 subjects from Spain and Colombia with different educational levels. The most significant results indicate that participants try to remember the mnemonic form application of the Archimedes' principle regardless forces analysis, and participants do not identify the two bodies interact and allow us to speak of the buoyant force. They consider that buoyant force depends the position of the submerged object.

Keywords
test; learning difficulties; Archimedes' principle

Categoría	Dificultad de Aprendizaje
La fuerza de empuje depende de las características o propiedades del cuerpo que se sumerge (peso, masa, densidad, volumen, área, empuje)	- El volumen del líquido desplazado por un cuerpo sumergido depende de la forma, la masa o la densidad del sólido, y no de su volumen [¹⁰[10] M.E. Loverude, C.H. Kautz y P.R.L. Heron, American Journal of Physics 71, 1178 (2003).,¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).,¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009).,¹⁷[17] A. Blanco en: Competencias en el Conocimiento e Interacción con el Mundo Física: La Comprensión del Entorno Próximo, editado por A. Pro de Bueno (Ed. Ministerio de Educación, España, 2010), p. 137-162.]
	- El peso de un cuerpo determina el empuje que hace el líquido sobre éste[¹⁰[10] M.E. Loverude, C.H. Kautz y P.R.L. Heron, American Journal of Physics 71, 1178 (2003).,¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).,¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009).,¹⁷[17] A. Blanco en: Competencias en el Conocimiento e Interacción con el Mundo Física: La Comprensión del Entorno Próximo, editado por A. Pro de Bueno (Ed. Ministerio de Educación, España, 2010), p. 137-162.,¹⁸[18] A.H. Clavijo y R. Paris, Revista Colombiana de Física 38, 682 (2006).]
	- El empuje sobre un cuerpo totalmente sumergido en un líquido depende de la profundidad a la que éste se encuentre, grados de flotabilidad [¹⁰[10] M.E. Loverude, C.H. Kautz y P.R.L. Heron, American Journal of Physics 71, 1178 (2003).,¹³[13] E. Alurralde y J. Salinas, http://www.feeye.uncu.edu.ar/web/posjornadasinve/area3/Cienciasnaturalesysudidactica/060, consultada en Diciembre de 2014. http://www.feeye.uncu.edu.ar/web/posjorn... ,¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009)., ¹⁹[19] M.I. Suero, A.L. Pérez, P.J. Pardo, M. Montanero y J. Gil, Aula Magna 29, 26 (2003).]
	- No hay relación consistente entre masa, volumen, densidad y gravedad y la fuerza de empuje[¹⁰[10] M.E. Loverude, C.H. Kautz y P.R.L. Heron, American Journal of Physics 71, 1178 (2003).]
	- No se tiene en cuenta la incompresibilidad o la densidad del líquido en el cual se sumergen los cuerpos para dar cuenta de la flotabilidad [¹⁰[10] M.E. Loverude, C.H. Kautz y P.R.L. Heron, American Journal of Physics 71, 1178 (2003).]
	- El empuje depende del tamaño del área sumergida es una propiedad de los cuerpos [¹⁹[19] M.I. Suero, A.L. Pérez, P.J. Pardo, M. Montanero y J. Gil, Aula Magna 29, 26 (2003).,²⁰[20] J. Radovanovic y J. Slisko, Physics Teacher 48, 428 (2012),²¹[21] F. Flores, L. Gallegos, H. Covarrubias, E. Vega, M. Rosas, B. García, M.A. Álvarez, S. de León, P. Lizárraga y A. Meza, en: The Proceedings of the Third International Seminar on Misconceptions and Educational Strategies in Science and Mathematics (New York, 1993), p. 3-15.,²²[22] P. Kariotogoy, P. Koumaras y D. Psillos, Physics Education 28, 164 (1993).]
La fuerza de empuje se relacionan sólo al líquido donde se sumergen los cuerpos (presión, profundidad…)	- El empuje depende de la densidad del líquido en el que se sumerge el cuerpo [¹³[13] E. Alurralde y J. Salinas, http://www.feeye.uncu.edu.ar/web/posjornadasinve/area3/Cienciasnaturalesysudidactica/060, consultada en Diciembre de 2014. http://www.feeye.uncu.edu.ar/web/posjorn... ]
	- El empuje depende de la cantidad (volumen) de líquido contenida en el recipiente en el que se sumerge el cuerpo, o que dicho cuerpo tiene encima [²[2] L. Buteler y E. Colenu, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias 13, 137 (2014).,¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).,¹³[13] E. Alurralde y J. Salinas, http://www.feeye.uncu.edu.ar/web/posjornadasinve/area3/Cienciasnaturalesysudidactica/060, consultada en Diciembre de 2014. http://www.feeye.uncu.edu.ar/web/posjorn... ]
	- Un cuerpo sumergido en un líquido modifica algunas propiedades físicas de este último, como la densidad [¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009).]
Ideas heredadas sobre la fuerza influyen en la representación del empuje	- Los líquidos "amortiguan" el hundimiento de los cuerpos como si fuesen un "soporte elástico", y no porque ejercen una fuerza neta vertical y hacia arriba (empuje), esta es la causa de la disminución de peso del cuerpo sumergido [¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009).]
	El único factor causal para la flotación o el hundimiento es el peso del objeto [⁵[5] F.M. Barral, Enseñanza de las Ciencias 8, 244 (1990).,¹¹[11] C. Maturano, S. Aguilar, G. Núñez y R. Pereira, Latin American Journal of Physics Education 3, 380 (2009).,¹⁶[16] A. Madrigal y J. Slisko, Latin American Journal of Physics Education 4, 408 (2010).,¹⁷[17] A. Blanco en: Competencias en el Conocimiento e Interacción con el Mundo Física: La Comprensión del Entorno Próximo, editado por A. Pro de Bueno (Ed. Ministerio de Educación, España, 2010), p. 137-162.,¹⁸[18] A.H. Clavijo y R. Paris, Revista Colombiana de Física 38, 682 (2006).]
	- La flotación se explica sólo como causa de la diferencia de densidades, en ocasiones se asume que los cuerpos sumergidos en un liquido modifican algunas de sus propiedades físicas, como su densidad o volumen [¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).,¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009).]
	- Las razones dadas para la flotación de los cuerpos se basan en la longitud, el material, la forma, la presencia de los huecos o el aire dentro del objeto, la manera de colocar el objeto en el agua, etc. [¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).,¹⁶[16] A. Madrigal y J. Slisko, Latin American Journal of Physics Education 4, 408 (2010)., ¹⁷[17] A. Blanco en: Competencias en el Conocimiento e Interacción con el Mundo Física: La Comprensión del Entorno Próximo, editado por A. Pro de Bueno (Ed. Ministerio de Educación, España, 2010), p. 137-162.]
	- El concepto de flotación necesita ser ampliado para comprender o vincular el empuje y la densidad [¹⁷[17] A. Blanco en: Competencias en el Conocimiento e Interacción con el Mundo Física: La Comprensión del Entorno Próximo, editado por A. Pro de Bueno (Ed. Ministerio de Educación, España, 2010), p. 137-162.]
Representación de las Fuerzas dificulta la representación del Empuje	- Representan las fuerzas vinculadas al cuerpo que se sumerge en cualquier lugar del esquema sin considerar el punto de aplicación de las mismas, es decir no se considera el centro de empuje [¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).]
	- Dificultad en determinar la localización, dirección, magnitud y sentido del empuje y su par sobre el fluido [²[2] L. Buteler y E. Colenu, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias 13, 137 (2014).]
	- Indican que el vector peso y el vector empuje son iguales, sin considerar sus sentidos [¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).]
Se desconoce las causas del empuje	- Presión y Empuje como sinónimos [¹⁴[14] A.L. Echegaray, M. Martínez y S. Stipcich, Experiências em Ensino de Ciências 1, 9 (2006).]
	- Se conjuga el principio de Arquímedes y Pascal para dar cuenta del empuje [²[2] L. Buteler y E. Colenu, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias 13, 137 (2014).,¹²[12] C. Mazzitelli, C. Maturano, G. Núñez y R. Pereira, Revista Eureka Sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 3, 33 (2006).,²²[22] P. Kariotogoy, P. Koumaras y D. Psillos, Physics Education 28, 164 (1993).]
	- No se concibe el empuje como resultado de un balance de presiones hidrostáticas, con sentidos opuestos, en la dirección vertical [¹⁵[15] A. García-Carmona, Enseñanza de las Ciencias 27, 273 (2009).]
	–El empuje es inexistente cuando los objetos están en la superficie [⁵[5] F.M. Barral, Enseñanza de las Ciencias 8, 244 (1990).]

	Código	Editorial (Año de Publicación)	Curso	Autores	N° de Apartados	N° páginas/ % del Libro
España	E1 [²⁵[25] J.A. Fidalgo y M.R. Fernández, 4 ESO Física y Química (Everest, España, 2003), p. 46-65.]	Everest (2003)	4° ESO^* * ESO: Educación Secundaria Obligatoria	Fidalgo, J.A y Fernández M.R.	8	19
		Everest (2003)	4° ESO^* * ESO: Educación Secundaria Obligatoria	Fidalgo, J.A y Fernández M.R.	8	9.5%
	E2 [²⁶[26] G. Ontañón, E. Ontañon, J.A. Fernández-Cano y F. Arce, 4 ESO Física y Química (Bruno, Madrid, 2007), p. 138-159.]	Bruno (2007)	4° ESO	Ontañón, G; Ontañon, E; Fernández-Cano, J.A; Arce, F.	7	21
		Bruno (2007)	4° ESO	Ontañón, G; Ontañon, E; Fernández-Cano, J.A; Arce, F.	7	9.4%
	E3 [²⁷[27] A. Fontanet y M.J. Martínez, 4 ESO Física y Química (Vicens Vives, España, 2008), p. 92-113.]	Vicens Vives (2008)	4° ESO	Fontanet, A y Martínez, M.J.	6	21
		Vicens Vives (2008)	4° ESO	Fontanet, A y Martínez, M.J.	6	7.7%
Colombia	C1 [²⁸[28] P. Hewit, Física Conceptual (Pearson Educación, México, 2007), 10ª ed., p. 248-267.]	Pearson (2007)	Secundaria	Hewitt, P.	22	59
		Pearson (2007)	Secundaria	Hewitt, P.	22	7.2%
	C2 [²⁹[29] M. Bautista y F.L. Salazar, Hipertexto Física 1 (Editorial Santillana, Bogotá, 2011), p. 214-224.]	Santillana (2011)	Secundaria/Bachillerato	Romero, O y Bautista, M	11	26
		Santillana (2011)	Secundaria/Bachillerato	Romero, O y Bautista, M	11	7.5%
	C3 [³⁰[30] D. Giancoli, Física para Ciencias e Ingeniería, Volumen I (Pearson Educación, México, 2008), 4ª ed., p. 255-285.]	Pearson (2008)	Bachillerato	Giancoli, D.	13	31
		Pearson (2008)	Bachillerato	Giancoli, D.	13	3.4%
	C4 [³¹[31] P.E. Tippens, Física Conceptos y Aplicaciones (McGraw Hill, México, 2011), 7ª ed., p. 301-328.]	McGraw Hill (2011)	Bachillerato	Tippens, P	11	27
		McGraw Hill (2011)	Bachillerato	Tippens, P	11	3.5%

Contenidos e Ideas Centrales
Cont.	Ideas Centrales	Conceptos, Principios y Hechos
Qué es un fluido	Idea I: Definición	Fases de la materia, diferencia entre líquido y gas, modelo mecánico de líquido y gas, propiedades que diferencian los fluidos
Qué es un fluido	Idea II: Densidad como propiedad de los fluidos	Densidad relativa, densidad en los gases, densímetro, gravedad específica
Presión que ejercen los fluidos	Idea I: Definición en términos de fuerza y área	Definición de presión en los sólidos, unidades de medida, explicación de algunos efectos de la fuerza, importancia de la superficie de apoyo
	Idea II: Presión Hidrostática	Definición, variables que influyen en la variación de la presión hidrostática (principio fundamental de la hidrostática), efectos de la presión hidrostática, vasos comunicantes, paradoja de Stevin
	Idea II: Presión Atmosférica	Definición, presión manométrica, , variables que influyen en la variación de la presión hidrostática, experimento de Torricelli, manómetro, barómetro, altímetro, Ley de Boyle-Mariot, meteorología, atmósfera
Principios fundamentales	Idea I: Principio de Pascal	Enunciado del principio, aplicaciones del principio de Pascal
Principios fundamentales	Idea II: Principio de Arquímedes	Enunciado del principio, empuje, condiciones de flotación, peso aparente, aerostación, se plantea el problema de la corona de Hieron, hidrómetro

Variable		Frecuencia	Porcentaje
Sexo	Hombre	50	29,8%
Sexo	Mujer	118	70,2%
Nacionalidad	España	80	47,6%
Nacionalidad	Colombia	88	52,4%
Edad	15-18	66	39,3%
	19-30	26	15,5%
	>31	76	45,2%
Nivel de Escolaridad	Secundaria	8	4,8%
	Bachillerato	76	45,2
	Técnico-Tecnólogo	16	9,5%
	Grado-Licenciatura	18	10,7%
	Máster-Doctorado	50	29,8%
Especialidad de los Estudios	Ciencias de la Naturaleza	66	39,3%
	Ciencias de la Salud	8	4,8%
	CC Sociales y Jurídicas	4	2,4%
	Ingeniería	26	15,5%
	Otras	64	38,1%

No. Ítem	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
r	0,392	0,091	0,362	0,354	0,557	0,395	0,362	0,294	0,449	0,539

	Respuestas
No. Ítem	A	B	C	D
1	8,3%	52,4%^* * Opción correcta en cada ítem	7,1%	32,1%
2	53,6%^* * Opción correcta en cada ítem	2,4%	28,6%	15,5%
3	3,6%	48,8%	33,3%^* * Opción correcta en cada ítem	14,3%
4	84,5%^* * Opción correcta en cada ítem	11,9%	1,2%	2,4%
5	14,3%	13,1%	38,1%	34,5%^* * Opción correcta en cada ítem
6	29,8%	19,0%	17,9%	33.3%^* * Opción correcta en cada ítem
7	7,1%	38,1%	21,4%	33,3%^* * Opción correcta en cada ítem
8	27,4%	36,9%	27,4%^* * Opción correcta en cada ítem	8,3%
9	11,9%	23,8%	28,6%	35,7%^* * Opción correcta en cada ítem
10	35,7%^* * Opción correcta en cada ítem	25,0%	13,1%	26,2%

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[1] * Endereço de correspondência: lina.viviana.melo@gmail.com.

E1	"Todo sólidosumergido total o parcialmente en un líquido (y también en un gas) experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del líquido (o de gas) que desaloja" [²⁵[25] J.A. Fidalgo y M.R. Fernández, 4 ESO Física y Química (Everest, España, 2003), p. 46-65., p. 54]
E2	"Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado" [²⁶[26] G. Ontañón, E. Ontañon, J.A. Fernández-Cano y F. Arce, 4 ESO Física y Química (Bruno, Madrid, 2007), p. 138-159., p. 148]
E3	"Todo cuerposumergido total o parcialmente en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen del líquido desalojado" [²⁷[27] A. Fontanet y M.J. Martínez, 4 ESO Física y Química (Vicens Vives, España, 2008), p. 92-113., p. 106]
C1	"Un cuerpo sumergido en un fluido sufre un empuje hacia arriba por una fuerza igual al peso del fluido que desplaza" [²⁸[28] P. Hewit, Física Conceptual (Pearson Educación, México, 2007), 10ª ed., p. 248-267.. p. 253]
C2	"Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical, hacia arriba, igual al peso del volumen del líquido desplazado" [²⁹[29] M. Bautista y F.L. Salazar, Hipertexto Física 1 (Editorial Santillana, Bogotá, 2011), p. 214-224., p. 191]
C3	"La fuerza boyante sobre un objeto inmerso en un fluido es igual al peso del fluido desplazado por el objeto" [³⁰[30] D. Giancoli, Física para Ciencias e Ingeniería, Volumen I (Pearson Educación, México, 2008), 4ª ed., p. 255-285., p. 263]
C4	"Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado" [³¹[31] P.E. Tippens, Física Conceptos y Aplicaciones (McGraw Hill, México, 2011), 7ª ed., p. 301-328., p. 311]